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表面染料フロー可視化:超音速流のストリークラインパターンを観察する定性的方法

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オートボディの周囲の流れを視覚化することは、流れ構造を理解し定量化するだけでなく、流体の流れの挙動を定解するために重要です。フロービジュアライゼーションの 1 つのタイプは、染色された流体を使用して、オブジェクトの周囲の流体フローによってトレースされたパスを観察するサーフェス フロー ビジュアライゼーションと呼ばれます。

染料の流れの可視化は、体表面に沿って流れパターンを観察するために染料で目的の体をコーティングすることを含みます。色素は、蛍光色素粒子と油の半粘性混合物である。オイルの非常に粘性の性質は、体表面の流れパターンを維持するのに役立ちます。蛍光色素は、紫外線の下でそれらのパターンを視覚化することができますが、

画像が長時間露出して撮影された場合、色素を使用して、単一の流体粒子が流れの中を移動する経路を追跡できます。染料マークされた流体粒子が点または領域を通過するにつれて、染色されたすべてのパーティクルに結合する線を観察できます。これをストリークラインと呼び、次の通りです。

超音速流では、これらのストリークラインを使用して、流れの分離、衝撃形成、および表面を横切る流れの移動の点を識別することができます。

次に、球体上の流れを詳しく見てみましょう。アタッチされた流れは滑らかなストリークラインとして表示され、ストリークラインの方向はサーフェス上の流れの方向を教えてくれます。流れの分離は、色素が凝集し、明るく見える領域として識別できます。これは、流れの分離点を超える染料が妨げられないからである。

超音速の流れでは、薄い明るい曲線で示されるミサイルのフィンのように、体の表面に衝撃波が形成される様子も観察できます。また、この手法を使用して、ストリークラインが乱れている領域によって証明された表面上の変形を識別することもできます。

この研究室では、超音速流に曝露された複数の異なるボディを用いて色素流可視化技術を実演する。

この実験では、マッハ数の射程範囲が 1 の超音速風洞を吹き飛ばします。5~4。この風洞はテストセクションのx 4の6を有する。マッハ数は、ブロックセクションを調整することによって変化します。つまり、試験部の面積比を変更することによってである。2Dウェッジ、3Dウェッジ、コーン、鈍い鼻体、球体、ミサイル:我々はいくつかの異なるモデルの周りのストリークラインをテストし、観察します。

実験を開始するには、蛍光色素粉末とミネラルオイルをプラスチックボウルに混ぜます。少量のミネラルオイルを色素に加えて、混合物が半粘性で薄くて水切りになるまで連続的に混合します。

今、風洞試験室の上に刺し傷を取り付け、所定の位置にロックします。次に、2D ウェッジ モデルをスティング マウントにねじ込みます。くさびの方向を固定して、ウェッジサーフェスがテストセクションの透明な側壁に向かるようにします。

ペイント ブラシを使用して、モデルのサーフェスに太い色素の層を適用し、滴り落ちないようにします。次に、ブロック設定を調整して、目的のフリー ストリーム マッハ番号に到達します。デジタルレベルを使用して攻撃アルファの角度を0°に調整します。

さて、テストセクションのドアを閉じて固定し、6 s.の風洞を実行すると、染料を照らすために走行中にモデルにUV光を照らします。これにより、ストリークラインパターンの進化を観察することができます。

実行が完了したら、最終的なフロー パターンのイメージをキャプチャします。次に、攻撃角度を12°に調整します。前と同じように色素でモデルをペイントし、6 s. の風洞を実行します。

-12°で2Dウェッジモデルの場合は、次の手順を繰り返します。次に示すテスト マトリックスに従って、すべてのモデルのテストを実行し、ストリークライン イメージをキャプチャします。各モデルですべてのテストが完了したら、風洞をシャットダウンし、セットアップを分解します。

次に、2D ウェッジ上のストリーク線から始まる結果を見てみましょう。0°では、ストリークラインパターンは、中心に表面変形がある領域を除き、体全体に均一な流れを示し、流れが分離します。ウェッジを 12°に傾けると、サーフェスに沿った流れは上向きに偏向し、流れは -12° 設定で下方に偏向します。

3D ウェッジを見ると、モデルの中心にある流れパターンが、すべての角度設定で 2D ウェッジで観測された流れパターンと似ていることがわかります。ただし、上端と下端の流れパターンはたわみを示し、先端渦効果は長さに沿って観察されます。

コーンのストリークラインパターンは、攻撃のすべての角度に対して、体の周りの流れがカーブしていることを示しています。また、染料が凝集する領域で示されているように、コーンの端部で流れの分離が起こることも観察できます。

鈍い鼻モデルでは、0°の攻撃角度で全身に付着した流れを観察します。 11および-11°では、フローは表面の輪郭に従って体の周りをカーブし、染料が合体する線に沿って分離します。

ミサイルモデルの前面の流れパターンは鈍い鼻体の流れパターンに似ていますが、フィンのストリークラインは様々な特徴を示しています。0°では、上下のフィンのストリークラインは、クロスパターンで徐々に分離が発生したフィンの前面に付着した流れを示します。また、先端と比較して、フィンの根元でフローがずっと早く切り離されることも観察します。

中央のフィンの前縁にある合体染料を見ると、縞模様が色素によってマークされた衝撃の形状を持つ弓ショックを示していることがわかります。11°の攻撃の角度で、私たちは底のひれに完全に取り付けられた流れを観察しますが、上部のフィンの根に近い分離された流れを観察します。0°ケースと同様に、中央フィンの存在はフィンの端部で弓の衝撃を引き起こす。

最後に、球体の場合、流れパターンは偏向角に関係なく同じままで、攻撃角度とは対照的にマッハ数を変化させました。マッハ数が増えるにつれて、分離点が体の後方に向かって移動し、流れの分離が減少していることがわかります。これは、より高い速度の流れが球上の不利な圧力勾配を克服するのに役立つより多くの勢いを持っているという事実によるものです。これにより、マッハ数が増加したフローアタッチメントの度合いが高くなります。

要約すると、ストリークラインを使用して、サーフェス間の流れの分離、衝撃形成、および流れの移動のポイントを識別する方法を学びました。その後、風洞内の超音速流れに複数の体を露出させ、各面に形成されたストリークラインを様々な角度で観測しました。

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